Материал: 1253
6
ВВЕДЕНИЕ
Радиотехнические системы (РТС) относятся к числу технических систем обладающих широкими возможностями при решении разнообразных задач на основе использования радиоволн. Причём, в зависимости от назначения системы изменяются принципы действия, используемые частоты, требования к скорости выдачи информации её количеству и точности, а также к конструктивно-технологическим и эксплуатационным параметрам и характеристикам.
Указанные особенности этих систем обуславливают случайный характер действующих в них сигналов и делают необходимым использование статистических методов при обработке этих сигналов и интерпретации получаемых результатов.
Большое число составных частей, выполняемых функций, а также - множественность описания РТС обусловили следующую структуру данного пособия.
В начале рассматриваются назначение и особенности РТС. В этом разделе даётся общая характеристика возможностей РТС, основные определения и системные принципы, классификация, основные показатели и т.д.
После указанного раздела излагаются элементы статистической теории радиотехнических систем, среди которых особое внимание уделено вопросам обнаружения, различения и разрешения сигналов. Далее, на основе изложенных теоретических основ, рассматриваются радиолокационные и радионавигационные системы, а также системы передачи информации.
В начале каждой главы, в квадратных скобках указаны литературные источники из которых взяты материалы данной главы и где можно найти более детальную информацию по этим и другим вопросам.
Пособие предназначено для студентов специальности 200800 - Проектирование и технология электронных средств, а также может быть полезно студентам специальности 201300 – Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования при изучении соответствующих дисциплин.
1 НАЗНАЧЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ [1, 2, 3, 4]
1.1Общая характеристика возможностей РТС
В радиотехнических системах передачи информации сообщения, имеющие разнообразную физическую природу, предварительно, с помощью различных электрофизических преобразователей (датчиков), преобразуются в
первичный электрический сигнал SП (t) , который обычно является случай-
ным процессом.
7
В радиотехнике для образования радиосигнала используются электромагнитные колебания, называемые несущими, частоту которых обозначают
|
2 |
f |
|
, где |
f |
|
1 |
, а T |
- период колебаний. |
o |
o |
o |
|
||||||
|
|
|
|
|
o |
||||
|
|
|
|
|
|
|
To |
|
|
Радиочастотные колебания, в которых содержится информация, являются радиосигналом SП (t) .
Простейший непрерывный радиосигнал может быть записан в виде:
S(t) A(t) cos( ot (t)) .
В непрерывном радиосигнале непрерывное сообщение может содержаться в любом из его параметров: амплитуде A(t), отклонении частоты от
несущей |
o |
и фазе. При этом, учитывая характер преобразования сообще- |
|
|
ния в первичный сигнал SП (t) , соответствующие параметры радиосигнала
становятся случайными. Процесс отображения сообщения в параметрах радиосигнала называется модуляцией. В электрических цепях радиосигналы действуют в виде токов и напряжений, а в пространстве распространяются электромагнитные волны.
Электромагнитная волна характеризуется векторами электрического E , магнитного H полей и вектором П , характеризующим направление распространение волны и её мощность, приходящуюся на единицу площади, поляризацией, частотой и длиной волны . Для волны, распространяющейся со скоростью света, длина волны составляет величину
2 с с
o fo
.
Поскольку в пространстве распространяется радиоволна, а в аппаратуре действуют радиосигналы в виде токов и напряжений, то обязательным устройством являются антенны. С их помощью радиосигналы, сформированные в передатчике, излучаются в пространство, а в приёмной антенне радиоволны создают радиосигнал в виде токов и напряжений, который подвергается дальнейшей обработке.
Чтобы воспользоваться информацией, содержащейся в радиосигнале, её необходимо выделить. Для этого используются детекторы (демодуляторы), на выходе которых образуется первичный сигнал, отображающий информацию.
Этот сигнал Sn (t) или непосредственно, или после преобразования ис-
пользуется потребителем информации.
Радиоволны могут распространяться на большое расстояние, огибают препятствия и проникают в глубь суши и воды, в здания и сооружения, проходят через облака, туман, дожди. Радиоволны некоторых частот способны отражаться от объектов (корабль, самолёт, метеорологические осадки и т.п.) позволяя их обнаруживать, по-разному отражаясь от участков поверхностей с отличающимися свойствами (море, суша, горы и т.п.). Другими словами, ра-
8
диоволны позволяют передавать и выделять информацию в условиях, когда её нельзя регистрировать органами чувств человека и другими техническими средствами.
1.2Основные определения и системные принципы
Радиотехнической системой называют организованную совокупность устройств, предназначенных для передачи, извлечения, обработки и накопления информации с использованием радиоволн.
Информация отражает сведения (сообщения) о свойствах различных объектов, изменении их состояния, процессах, происходящих в природе, производстве и обществе. Сообщение – это материальная форма воплощения информации. Переносчиками сообщений в радиотехнических системах (РТС) являются радиосигналы. Совместное использование нескольких РТС приводит к образованию радиотехнических комплексов.
РТС, как и любые другие технические системы, строятся по определённым системным принципам. Перечислим эти принципы.
1.Цельность (единство) – наличие у системы общей цели, общего назначения. Совокупность компонентов системы создаёт качественно новое образование, свойства которого не являются простой суммой свойств составляющих систему частей. Из свойств частей нельзя вывести свойств системы.
2.Структурность – возможность описания системы посредством установления её структуры, обусловленность поведения системы поведением её отдельных систем и свойствами её структуры.
3.Иерархичность. Каждая система состоит из взаимосвязанных частей или подсистем и в свою очередь входит в систему более высокого уровня, которую можно называть «надсистемой». Следовательно, существует иерархия систем. Так в систему управления воздушным движением (УВД) входят подсистемы, которые также являются системами, например, система радиосвязи между экипажем самолёта и диспетчерами. В свою очередь в них есть разные подсистемы, в том числе радиопередатчики. Рассматривая радиопередатчик как систему, можно выделить различные подсистемы – устройства, например, модулятор. Модулятор как система содержит ряд подсистем – систем наименьшего иерархического уровня, например, усилитель модулирующего напряжения.
4.Сложность поведения системы – наличие сложных взаимосвязей между переменными системы, при которых изменение одной переменной обуславливает изменение многих других.
5.Множественность описания системы, обусловленная её сложно-
стью и требующая построения множества различных моделей, которые описывают определённые свойства системы.
6.Большое число составных частей, выполняемых функций, входов, высокая стоимость системы.
9
7.Нерегулярность и случайность внешних возмущений, исключа-
ющих точность предсказания выходного эффекта системы.
8.Использование средств автоматизации, вычислительной техни-
ки, микропроцессоров, позволяющих обеспечить гибкое, оперативное и автоматизированное управление системой.
В соответствии с системным подходом, при котором объекты изучения, изготовления и эксплуатации рассматриваются как системы, в РТС можно выделить ряд подсистем: подсистему, характеризующую принцип действия; подсистему технических средств; подсистему эксплуатации. Подсистема принципа действия определяется принципом использования радиоволн в данной РТС для выдачи определённой информации (передачи, извлечения, обработки и накопления) с учётом специфики распространения радиоволн,
действия помех. Подсистема технических средств РТС (радиоэлектронная аппаратура - РЭА). Для исследований и проектирования целесообразно разделять РЭА на подсистемы. Как и для РТС, это можно сделать исходя из выполняемых функций или основываясь на физической сущности процессов и особенностях закономерностей
Подсистема РЭА – устройство. Если разделять РЭА на подсистемы, исходя из выполняемых ими функций, то по отношению к таким подсистемам удобно применять термин «устройство». К числу подсистем РЭА относятся: антенно-фидерные устройства, передающие и приёмные устройства, вторичные источники питания, устройства управления функционированием аппаратуры (пульты управления), устройства вторичной обработки и выдачи информации, устройства контроля состояния и обнаружения неисправностей, соединительные устройства (механические и электрические), устройства сопряжения РЭА с потребителями информации (операторами, объектами). При этом каждое устройство имеет свой алгоритм функционирования и схему. Кроме того, устройства характеризуются конструкцией, особенностями технологии и методов технической эксплуатации. Во многих случаях устройства стремятся сделать универсальными, пригодными для использования в различных комплектах РЭА.
Подсистемы РЭА по физическому содержанию процессов. Если раз-
делять РЭА на подсистемы с учётом физических процессов и закономерностей, то в РЭА можно выделить следующие составные части: схемы, конструкция, технология и производство, техническая эксплуатация.
Схемы. Принципиальная электрическая схема есть изображение, показывающее электрическое соединение элементов, обладающих различными электрическими (электромагнитными) свойствами. Схемы РЭА должна предусматривать использование элементов с такими электрическими (и электромагнитными) свойствами и такое их соединение между собой при которых обеспечиваются операции над сигналами и помехами, вытекающие из принципа действия РЭА и РТС. Совокупность методов анализа и синтеза схем называют схемотехникой. Очевидна целесообразность создания возможно более простых схем, использующих дешёвые элементы и не критичных к из-
10
менению параметров элементов. Подсистемы «схемы» формируют основу для получения требующихся значений электрических параметров и характеристик, а также экономических показателей, но не могут без учёта других подсистем (конструкция, технология и т.д.) полностью их определять.
Конструкция. Под конструкцией РЭА понимается пространственно организованная совокупность элементов с разными электрическими (в том числе на СВЧ), механическими и другими свойствами, между элементами которой существуют электрические, механические, магнитные, тепловые и другие связи, создаваемые в соответствии со схемой и принципами построения конструкции. Причём эта совокупность должна удовлетворять требованиям реализации электрической схемы, обеспечения устойчивости параметров и характеристик к внешним воздействиям, в условиях которых работает аппаратура, повторения в условиях производства и т.д.
Конструкция состоит из элементов, под которыми понимают первичную неделимую составную часть конструкции.
Электрические элементы (дискретные и интегральные), входящие в схему, вместе с тем являются элементами конструкции. У этих элементов должны учитываться не только электрические параметры (которые определены схемой), но и конструктивно-технологические и экономические. Конструкция РЭА включает также много других элементов, выполняющих определённые функции: механическое крепление элементов, увеличение прочности, демпфирование вибрации, обеспечение электрических связей (провода, жгуты, соединители, цепи заземления, печатные проводники и платы), экранирование магнитных, электрических и электромагнитных полей; герметизацию (защиту от действия влаги); контроль, ремонт, регулировку; отвод тепла.
Таким образом, конструкция создаётся на основе схемы и избранных принципов построения конструкции в целом, а также её элементов.
Технология. Этот термин обычно понимают как совокупность способов и процессов обработки, оборудования, используемых при изготовлении элементов конструкции и сборке аппаратуры (механическом и электрическом соединении) обеспечивающих получение заданной конструкции.
Эксплуатация. В процессе эксплуатации РТС, входящая в её состав РЭА нуждается в контроле, регулировании, ремонте. Для этого при проектировании схемы и конструкции, а так же при изготовлении предусматривается использование технических средств (например, встроенный контроль), разрабатываются методы контроля, поиска неисправностей, ремонта.
Поэтому полезно к одной из подсистем РЭА отнести также техническую эксплуатацию (ТЭ), подразумевая под ней совокупность процессов и закономерностей изменения свойств РЭА во времени и при наличии внешних воздействий, а также предусмотренные при создании конструкции способы и методы ввода РЭА в действие и управления ею, поиска и устранения неисправностей, наблюдения за состоянием.